针对平纹编织复合材料的异形结构,研究了在铺层方向拉伸位移加载以及力加载两种工况下,采用刚度体积平均、一致应变边界条件两种计算均匀化方法所得多尺度计算结果的差异性,并将多尺度结果与精细化结果进行了对比。此外,还研究了异形区域划分数量对多尺度计算结果的影响。结果表明,在同一多尺度模型下,两种均匀化方法的σ_y应力分布趋势是一致的,并且均与精细化模型结果相吻合。其中位移加载下的多尺度结果与参考结果的mises及σ_y应力误差最大只有9.5%和3.3%,并且随着异形结构分区数量的增加,其误差值逐渐减小。而力加载下的结果误差值偏大,随分区数量的增加没有减小的趋势,并且一致应变边界条件的结果整体上大于刚度体积平均的结果。并且,多尺度模型的划分方式会破坏部分结构特征,并在一定程度上影响多尺度结果。

针对复合材料层合板结构进行损伤识别,传统的损伤识别指标在描述其损伤时过于粗糙,而材料级损伤参数数量巨大难以识别,故引入了能反映层合板面内和面外损伤的单元级损伤指标。为提高损伤识别求解效率,提出了针对单元级损伤指标的两步正则化损伤识别方法。通过对复合材料层合板结构进行渐进失效分析,基于刚度退化进行单元级损伤指标与材料级损伤指标等效,构建基于组合刚度系数的单元级损伤指标,并对其进行相关性分析,为后续损伤识别提供先验信息。再用分步正则化方法对损伤参数进行定量分析,即第一步利用L2正则化和相关性提供的先验信息提供初步的损伤识别结果,第二步在第一步的基础上利用L1正则化方法求解损伤变量,从而获得更精细的识别结果。数值模拟和试验结果表明,所提的分步正则化方法能够有效实现复合材料层合板损伤识别,同时探究了噪声污染、模态阶次对识别结果的影响。

本文针对片状模塑料(SMC)/单向纤维(UD)构成的混杂复合材料力学性能进行研究,在细观层面采用蒙特卡洛方法随机生成纤维片,提出的抑制干涉效应的建模方法能够有效改善纤维片间的重叠率,通过敏感度分析确定了细观代表体元尺寸,对细观代表体元施加周期性边界条件以获得混杂复合材料弹性参数,模型的弹性模量预测结果和试验结果吻合良好;并进一步探讨了纤维片尺寸、体积分数以及铺层方式对混杂复合材料弹性模量的影响。结果表明:纤维片长宽比不同会导致代表体元尺寸发生变化,长宽比增加,混杂复合材料弹性模量增加;纤维片体积分数增加将导致混杂复合材料弹性模量增加;对混杂复合材料进行铺层设计,可以使其既具有SMC复合材料的可成型性,又具有与准各向同性材料相当的弹性模量。

针对现有复合材料剩余刚度预测模型考虑因素不全的问题,提出了一种考虑到最大应力、初始刚度、临界剩余刚度、循环周次及恒幅疲劳寿命共同作用的复合材料疲劳剩余刚度预测模型。结果表明:所提模型符合三阶段性能退化规律,可用于描述复合材料的剩余刚度退化,吻合精度高;模型在高应力区表现出比在低应力区更高的预测精度,这与高应力下数据点较为集中有关;与已有模型进行对比,本文所提模型对复合材料疲劳剩余刚度具有较高的预测精度和普适性。

针对复合材料螺栓连接强度预测问题,设计拉伸试验并记录极限载荷。将试验变量数值化抽象为神经网络输入神经元参数,基于BP神经网络理论,建立强度预测模型。使用三组预留的试验结果验证模型的准确性,三个测试组预测误差分别为6.13%、1.63%、3.34%。调整训练组的组成并重新训练模型,结果表明,本文模型针对训练组未出现参数值有着较好的预测能力。最后建立有限元分析模型进行对比分析,结果表明,针对复合材料螺栓连接强度预测问题,相比有限元方法,神经网络方法精度相当,且具有明显的速度优势。

依据GB/T 2572—2005测试了-100~120 ℃区间内TG300碳纤维/环氧单向纤维增强复合材料的热膨胀系数,给出单轴向复合材料纵向及横向热膨胀特性随温度的变化规律及分布特征。基于试验结果,结合有限元分析方法,通过参数反演分析获得了-100~120 ℃环境温度下碳纤维轴向及径向热膨胀系数,为复合材料热膨胀特性设计分析提供原材料性能数据。进一步计算单轴向及双轴向CFRP的热膨胀系数,分析温度、纤维体积分数、织物结构、工艺参数及纤维屈曲对复合材料热膨胀性能的影响,为低热膨胀复合材料结构设计优化提供理论依据。

针对热压罐工艺成型的150 mm固体火箭发动机壳体复合材料裙,进行了轴压试验,并通过建立引入黏性行为及三维Hashin失效准则的渐进损伤模型开展有限元分析,对复合材料裙及含裙复合材料壳体的失效模式、失效位置及轴压载荷进行了准确预测,以验证有限元模型的可靠性。以此为基础,根据复合材料裙铺层原则,建立了基于随机正态算法的铺层优化模型,对复合材料裙的铺层顺序和铺层角度进行优化,得到了满足要求的最优铺层。基于最优铺层,分析了不同搭接角度与搭接长度对载荷规律的影响,确定了最优的搭接角度和长度,并通过轴压试验对结果进行验证。结果表明:当铺层为[90/0/45/0/90/90/-45/-45/45/0]时,复合材料裙在达到材料强度极限前发生屈曲失稳,满足设计需求;随着搭接角度增大,屈曲载荷逐渐增大,而载荷增量先增大后减小;随着搭接长度的增大,屈曲载荷逐渐增大,但增量呈下降趋势,最终确定最优搭接角度为3°,最优搭接长度为20 mm。含裙复合材料壳体轴压试验最终屈曲载荷为29.77 kN,与仿真结果相差6%,失效位置在复合材料裙裙尖处,与仿真结果一致。

本文采用有限元仿真和试验验证相结合的方法,对芳纶纤维-蜂窝夹芯U形前缘结构的固化变形问题进行了研究。在仿真建模中,充分考虑了树脂的固化放热、热-力耦合以及化学收缩等,建立了U形前缘的固化温度场和固化变形场计算模型。在试验制备中,采用了预先固化外蒙皮,再与蜂窝芯、胶膜、发泡胶组合,最后铺放内蒙皮并再次胶接固化的成型工艺。结果显示,仿真模型预测的构件宽侧与窄侧的固化变形量与实际吻合度较高,可为后续前缘构件的模具修型提供指导和依据。

在复合材料的实际损伤检测过程中,基线数据难以获取且不可避免地受到操作和环境条件的影响,导致检测难度增加。通过基于Lamb波空间反演对称破坏原理的无基线方法对复合材料平板进行多损伤定位。通过交换激励接收换能器顺序,获得正-反向传播Lamb波中的直达波包,并进行信号幅值和相位的差异性分析,有效提取损伤路径。然后,采用DBSCAN和K-means聚类算法对缺陷进行定位。通过实验验证了该方法的有效性,并与传统概率成像算法进行对比分析。结果表明,相比于概率成像算法,该方法定位精度得到明显提升。此外,通过对平行阵列的优化有效解决了检测区域存在盲区的问题,并结合D-K算法实现了复合材料板单缺陷和双缺陷的定位。

采用泊松比分类六边形蜂窝构型,基于均匀化理论建立蜂窝单胞参数化有限元模型,开展了变泊松比蜂窝夹芯结构的吸波性能分析与给定反射率目标的蜂窝构型优化。计算结果表明:2~18 GHz电磁波垂直入射工况下,减小蜂窝边长和增大蜂窝高度均能有效提高结构吸波性能,使泊松比趋于零的蜂窝角度变化可提高吸波性能,存在与蜂窝几何参数匹配的最佳涂层厚度,能够获得最优吸波性能;与正泊松比常规六边形蜂窝、零泊松比半内凹六边形蜂窝和负泊松比内凹六边形蜂窝的初始方案相比,反射率为-10 dB时,三种优化蜂窝吸收带宽分别增大了56.8%、35.2%、52.5%,而反射率为-20 dB时,三种优化蜂窝吸收带宽分别从零增大为4 GHz、2.3 GHz、0.5 GHz;三种泊松比蜂窝中,正泊松比蜂窝的优化适应潜力最好。研究结果为多功能蜂窝吸波结构的蜂窝构型设计提供了参考。

在对高性能碳纤维增强树脂基复合材料绿色成型制造技术的探索中,电子束因常温固化、构件残余应力小且固化速度快等优势,被认为是极具应用前景的非热压罐固化技术。围绕碳纤维/环氧树脂基复合材料的高能电子束固化工艺,对比研究了两种辐射方式(仅辐射单层预浸带、辐射层合板)下,20~200 kGy剂量的电子束对预浸带固化度的影响,明确了固化度随着剂量增加而提高的演变趋势;测试并分析了辐射剂量率对固化度的影响规律,明晰了温升效应促进固化的作用机制;结合层间破坏微观形貌,探索了剂量及剂量率对层间剪切强度的协同影响,获得了高性能层合板制备的工艺优化方法。

基于激光诱导拉伸波在材料中的传播特性和材料层裂原理,可以发展基于激光冲击波的界面结合力无损检测技术,研究不同脉宽激光作用下的复合材料动态力学响应特性,对发展该技术具有重要意义。本文采用不同脉宽的激光来冲击复合材料层合板,并测试试件背面粒子速度;建立激光冲击碳纤维增强复合材料层合板有限元模型,探究不同脉宽的激光对复合材料层合板进行单面和双面冲击时,层合板内部的应力波传播耦合规律。结果表明:随着激光冲击载荷脉宽的增大,单面激光冲击作用下,层合板内部最大拉应力增大,最大拉应力位置向激光冲击表面移动;双面激光冲击作用下,靶板内部最大拉应力在时间和空间上更加集中,且在双面激光冲击作用下增大靶板一侧激光冲击延时时间,最大拉应力出现位置向另一侧发生显著移动。

碳纤维复合材料的性能很大程度上受使用环境的影响。本文研究了同一温度(70 ℃)下三种老化环境(蒸馏水、质量分数均为10%的硫酸溶液和氢氧化钠溶液)对T700碳纤维/环氧树脂基复合材料的压缩性能和含冲击损伤复合材料的压缩性能的影响;并研究分析了其质量变化、老化前后的表面形貌、傅里叶变换红外光谱(FTIR)及动态力学性能。结果表明:在蒸馏水和酸溶液中,质量变化率曲线符合FICK第二定律,质量变化率越大,材料的压缩性能、含冲击损伤材料的压缩性能和玻璃化转变温度下降越大,表面形貌破坏越严重;在碱溶液中,试样破坏严重,树脂也发生了化学反应,材料的性能和玻璃化转变温度不但受吸湿的影响,而且也受树脂化学反应的影响。研究结果对T700碳纤维/环氧树脂基复合材料在复杂环境下的使用和贮存具有重要的工程实际意义。

复合材料手册(CMH-17G)中全面地更新了B基准值单点法的计算流程,主要为统计模型的选取以及离散系数的修正。为了对复合材料B基准值统计方法进行研究,本文针对T800级碳纤维树脂基复合材料,规划了两种铺层比例的开孔拉伸试验,获取了它们在室温干态和低温干态下的开孔拉伸强度值;分别研究正态分布、威布尔分布和对数正态分布下的B基准值计算流程,从而得出不同统计模型下复合材料的B基准值。研究结果表明:正态分布计算的B基准值相对威布尔分布计算的B基准值平均可提高3%;使用CMH-17G中规定的离散系数修正方法,与不修正离散系数相对比,B基准值平均下降了9%,从而对鉴定试验中未显现的变异性进行补偿,进一步确保复合材料结构的使用安全性。

本文设计了一种通道尺寸为650 mm×650 mm的复合材料薄型易碎式发射箱盖,能够承载极大内压且顶破载荷较小,内压转换为集中力的大小是顶破载荷的7倍,并提出了薄弱区以及加强布的结构设计方案。制作了易碎盖并对其进行承压与顶破试验,试验结果表明,易碎盖的设计结构合理,能够承受0.055 MPa的内压,易碎盖中心点的最大变形为19.83 mm,而顶破易碎盖仅需要3.03 kN的载荷。本文分别建立了易碎盖承压试验和顶破试验的有限元模型,分析结果与试验结果的误差分别为12.7%和8.0%,可以较为准确地预测易碎盖的变形和强度。基于有限元模型,分析了不同位置的加强布层数变化和不同易碎盖厚度对易碎盖变形的影响,Ⅱ,Ⅲ区加强布层数和易碎盖厚度的增加会导致易碎盖变形减少。本文的研究内容可以为薄型易碎式发射箱盖的工程制作提供参考。

新能源汽车的安全性和轻量化是当今汽车发展的重要方向,以汽车安全性为基础进行轻量化研究具有重要的现实意义。碳纤维复合材料在汽车结构上的应用是实现其轻量化的有效途径之一。采用Halpin-Tsai方程和有限元单胞模型两种方法,计算得到了六种具有代表性的碳纤维复合材料分别在50%、55%、60%纤维体积含量下的单向单层板的工程弹性常数,作为铺层的输入参数。针对提高碳纤维增强复合材料T形电池盒箱体的表面弯曲刚度以应对使用情况下的形变,以最大位移控制在1 mm为目标,以3.4 mm厚度为基准,采用准各向同性铺层,对电池盒箱体模型进行了有限元分析。计算结果表明:在固定碳纤维体积含量,电池盒厚度不超过3.4 mm的情况下,只有三种碳纤维复合材料在受力情况下能够满足最大形变小于1 mm的要求。

在基于构件-节点一体化设计优化出的多轴向铺层基础上,进一步探究了铺层(单轴向铺层UD、多轴向铺层MD1、单轴向和多轴向相邻铺层MD2及多轴向中混碳铺层BC)以及几何尺寸(端距和排距)对FRP拉挤方管螺栓节点抗拉性能的影响。试验结果表明,多轴向布(MD1和MD2)的加入使节点极限承载力提升50%以上,极限位移增大至2倍以上,极大改善了节点承载和节点延性。采用MD2铺层能够获得最大节点承载力;BC铺层没有提升节点承载力但使节点刚度增大了7%~30%。端距和排距对UD方管螺栓节点的破坏模式无明显影响,均呈现剪切或劈裂破坏模式。当端径比增加至4时,多轴向方管螺栓节点破坏模式开始或完全转变为延性挤压破坏;随着排距的增大,两孔共同挤压受力过程延长,实现了更高延性、更高承载力的节点性能。建议多轴向BFRP拉挤方管螺栓节点的端径比和排径比取为4以上。

选区激光熔化(SLM)制备铝基复合材料,改善了传统制造方法遇到的颗粒团聚、界面结合差等问题。本文以激光参数和增强颗粒为切入点,综述了微观结构、组织转变、颗粒分散、晶体形态和界面结合等微观组织特征及演化规律。增强颗粒在基体中成为异质形核点,促进了晶粒细化,优化了晶体形态;激光参数调整能量输入,使熔池产生温度梯度,引起的Marangoni流优化了颗粒分布和界面等微观结构。阐述了SLM制备的Al基复合材料的拉伸和疲劳性能优于相同方法制造的铝和铝合金性能,并根据微观失效断面分析了影响因素。可通过调整激光参数和增强颗粒,改善微观组织,减少气孔和裂纹,从而提高材料拉伸和疲劳性能。最后总结了SLM制备的铝基复合材料的优缺点,根据仍存在的问题对尚待解决的技术问题和未来研究方向作了展望。

热固性树脂及碳纤维增强热固性树脂基复合材料(CFRP)日益增长的需求量和废料量使碳纤维的回收利用问题进入人们的视线。然而,由于树脂基体具有永久交联的网络结构,使CFRP难以温和降解回收。在双碳目标之下,闭环化学回收成为热固性材料可持续发展的关键。近年来,动态适应网络(CANs)成为可闭环化学回收热固性树脂设计与制备的优选方案之一。文章综述了含酯键、亚胺键、六氢三嗪结构、间乙烯氨酯键、酮胺结构和二硫键的CANs聚合物及碳纤维复合材料的闭环化学回收与再利用进展,并从催化剂、温度、pH值、溶剂等方面比较了它们各自回收的优缺点,旨在为未来可闭环化学回收的热固性树脂设计提供借鉴和参考。